PNAS ：揭示氧化还原代谢维持急性髓系白血病细胞的致白血病的能力和耐药性
氧化还原代谢的重新布线对肿瘤发生发展有着深远的影响，但氧化还原平衡的细胞异质性如何影响白血病的发生尚不清楚。
2023年3月22日，上海交通大学郑俊克、杨洁、华东理工大学赵玉政及杨弋共同通讯在PNAS 上在线发表题为“Redox metabolism maintains the leukemogenic capacity and drug resistance of AML cells”的研究论文。
为了精确表征体内氧化还原代谢的动态变化，该研究开发了一种基因编码的H2O2生物感应器(命名为HyPerion)，并在转基因传感器小鼠中原位追踪白血病细胞的氧化还原状态。
急性髓系白血病( acute myeloid leukemia，AML )细胞中的H2O2 - low (HyPerion-low )亚群富集有白血病起始细胞，该细胞具有高克隆形成能力、强耐药性、骨内而非血管定位和短生存期的特征。包括ME1 / 3在内的苹果酸酶的显著高表达导致了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸( NADPH )的产生和随后H2O2的低丰度。苹果酸酶的缺失降低了白血病起始细胞的群体规模，削弱了其致白血病的能力和耐药性。总之，该研究通过建立单细胞分辨率的体内氧化还原监测工具，揭示了氧化还原代谢在白血病发生中的关键作用和潜在的治疗靶点。
急性髓系白血病是一种起源于造血干祖细胞的恶性造血系统疾病，好发于成年人，尤其是老年患者，总体5年生存率为5% ~ 40% 。目前，化疗是治疗不同类型急性髓系白血病( AML )最有效的方法，但仍有超过30%的患者出现复发或耐药。据报道，AML中可能存在一小部分细胞群，称为白血病起始细胞( LICs )，参与AML的起始、进展、复发和耐药。
最近越来越多的证据表明，不同的代谢燃料，包括葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、核酸和维生素，微调AML细胞或LICs的命运，如自我更新、分化、定位在骨髓( bone marrow，BM )壁龛和耐药性。此外，氧化还原代谢，特别是活性氧( reactive oxygen species，ROS )水平已被报道与AML细胞的致白血病的能力有关。适度的ROS水平作为增殖信号信使促进肿瘤启动，而高ROS水平可能触发氧化应激和细胞死亡。
一定水平的ROS在ROS生成和抗氧化系统之间保持平衡，这对于白血病细胞的增殖、分化、基因组稳定性、耐药性和免疫逃逸是必需的。有报道称功能性LICs具有相对较低的ROS水平和耗氧速率，而静息型LICs对能量的需求相对较低，ROS水平较低，因此对阿糖胞苷的治疗更加耐受。IDH1 / 2突变导致NADPH消耗增加导致ROS水平上调，进而启动AML。FLT3 - ITD突变可引起ROS水平升高，进而导致AML细胞的遗传不稳定性。然而，在白血病发生过程中，ROS水平如何维持并有助于控制LIC的命运仍不完全清楚。
ROS的成分包括过氧化氢( H2O2 )、超氧阴离子( O2 · - )和羟基自由基( OH · )，主要由几种关键的生物途径产生，包括氧化磷酸化、NADPH氧化酶活性和细胞氧化剂生成系统。在所有ROS组分中，H2O2被认为是最重要的，在许多细胞类型的各种生理和病理活动中起关键作用。细胞内的ROS成分极不稳定，目前还难以动态测量。例如，H2O2在细胞中只存在几秒钟，然后通过过氧化物还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶或过氧化氢酶分解成H2O。
目前，已经建立了几种测量ROS的方法。其中，二氯荧光素( DCF )衍生物被广泛用于检测细胞内ROS。然而，DCF衍生物是非特异性的，通常是不可逆的，操作繁琐，并且容易产生伪影，因此很难在体内监测。
目前已经开发了针对各种代谢物的活细胞或活体监测的基因编码荧光感应器，其中包括SoNar ( NADH / NAD +传感器)，iNap1 ( NADPH传感器)和支链氨基酸传感器，并通过这些超灵敏的代谢传感器揭示了AML细胞或LICs的代谢状态和命运承诺之间的紧密联系。
HyPer传感器家族常用于监测活细胞中的H2O2，但由于亮度的限制，活体监测仍然具有挑战性。由于H2O2的高度动态性和重要功能，开发出具有传感器表达的转基因动物模型对于氧化还原生物学机制的研究具有重要意义。
基于此，该研究开发了一种明亮的、基因编码的H2O2传感器，将其命名为HyPerion，并构建了表达HyPerion的转基因小鼠。利用这些强有力的工具，研究人员进一步证实了H2O2水平是功能性LICs和AML发展的关键决定因素。
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